Początkowo przewidywano załogę dwuosobową w układzie tandem, lecz zmieniono układ na siedzenia obok siebie. W trakcie projektowania zdecydowano się na zastosowanie skrzydeł o zmiennej geometrii, dzięki czemu możliwe było osiągnięcie dużej prędkości, jak i skrócenie drogi startu i lądowania, co było istotne z powodu obaw o zniszczenie baz lotniczych. Prace w tym kierunku rząd ZSRR zaaprobował w 1968 roku.
Prototyp T6-0 do prób statycznych ukończono w styczniu 1967 roku. Oblotu pierwszego prototypu Su-24 oznaczonego T6-1 dokonał 2 lipca 1967 roku pilot doświadczalny Władimir Iljuszyn. Skrzydła o zmiennej geometrii miał dopiero drugi prototyp T6-2I, oblatany 17 stycznia 1970 roku przez tego samego pilota. Powstały jeszcze w OKB Suchoja trzy prototypy (T6-3, 4 i 6) oraz płatowiec do prób statycznych. Od stycznia 1971 roku prowadzono próby państwowe prototypów.